细胞内蛋白质的分选和运输.doc

细胞内蛋白质的分选和运输蛋白质在细胞质基质中合成后，按其氨基酸序列中分选信号(sorting signal)的有无以及分选信号的性质被选择性地送到细胞的不同部位，这一过程称为蛋白质分选(protein sorting)和蛋白质靶向运输(protein targeting)。另外，细胞外的蛋白质经胞吞作用进入细胞内部，也经历分选和靶向运输过程。细胞中每一种蛋白质只有到达正确的位置才能行使其功能，如 RNA和DNA聚合酶必须送到细胞核中才能参与核酸的合成；酸性水解酶必须送到溶酶体才能进行大分子的降解作用。因此，细胞内蛋白质的分选和运输对于维持细胞的结构与功能、完成各种细胞生命活动都是非常重要的。细胞内蛋白质的分选信号以及运输途径和方式号肽通常引导蛋白质从细胞质基质进入内质网、线粒体和细胞核，同时也引导蛋白质从细胞核送回到细胞质基质以及从高尔基体送回到内质网；信号斑则引导一些其他分选过程，如在内质网合成的溶酶体酶蛋白上存在一种信号斑，在高尔基体的CGN中可被N-乙酰氨基葡萄糖磷酸转移酶所识别，从而使溶酶体酶蛋白上形成新的分选信号M-6-P，进一步在TGN中被M-6-P受体识别,并分选进入运输小泡最终送到溶酶体（详见第十章）。每一种信号序列引导蛋白质到达细胞内一个特定的目的地（表10-1）。要运送到内质网的蛋白质，在其N-末端有一段信号肽，其中间部分有5-10个疏水氨基酸。带有这种信号肽的蛋白质，都会被运送到内质网，并进一步被运送到高尔基体，其中一部分蛋白质在C-末端还带有一个由4个氨基酸组成的信号肽，它们在高尔基体的CGN部位被识别并被送回内质网，是内质网驻留蛋白质；要运送到线粒体的蛋白质，在其N-末端带有一种信号肽，其信号序列中带阳电荷的氨基酸和疏水氨基酸呈交替排列；要运送到过氧化物酶体的蛋白质，在其C-末端有一种由三个特征性氨基酸组成的信号肽；要运送到细胞核的蛋白质，其信号肽中有一串带阳电荷的氨基酸，这一信号序列可位于蛋白质的任何部位。表10-1 几种典型的信号序列（引自Alberts等，2002）_信号序列的功能 信号序列_输入到细胞核 -Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-从细胞核输出 -Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-输入到线粒体 +H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys- Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu-输入到过氧化物酶体 -Ser-Lys-Leu-COO-输入到内质网 +H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile- Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys- Glu-Val-Phe-Gln- 回输到内质网 -Lys-Asp-Glu-Leu-COO-_一、 细胞内蛋白质运输的途径细胞内的蛋白质分子在细胞质基质的核糖体上开始合成，然后根据其氨基酸序列中的分选信号种类决定它们的运输途径；细胞外的一些蛋白质分子也可经胞吞作用摄入细胞内，进入特殊的运输途径。因此，细胞内蛋白质有多种运输途径，一般可分为三种类型：（一） 翻译后转运的蛋白质运输途径蛋白质在核糖体上合成后释放到细胞质基质中，其中一些蛋白质不带分选信号，就留在细胞质基质中；而大多数蛋白质带有分选信号，将按其分选信号种类分别转运到细胞的不同部位。由于这种转运是在蛋白质分子完全合成后进行的，因此称为翻译后转运(post-translational translocation)。属于这种蛋白质运输途径的主要有：（1）蛋白质从细胞质基质通过核孔复合体到细胞核的运输；（2）蛋白质从细胞质基质到线粒体的运输；（3）蛋白质从细胞质基质到过氧化物酶体的运输。近年来体外实验还发现，有少量蛋白质可在细胞质基质完全合成后转运到内质网，这种情况在酵母中更多见。（二） 共翻译转运的蛋白质运输途径蛋白质在核糖体上合成过程中转移到内质网，即在核糖体上多肽链开始合成不久，在N-末端形成的信号肽引导核糖体附着到内质网膜上，信号肽穿入内质网腔并继续其合成过程，新合成的多肽链可游离于内质网腔内成为可溶性蛋白，也可插入内质网膜成为跨膜蛋白。以这种方式合成的蛋白质除一部分留在内质网外，大部分将运送到高尔基体，在那里作进一步分选和运输。由于这种转运是在蛋白质合成过程中进行的，因此称为共翻译转运(co-translational translocation)。属于这种蛋白质运输途径的主要有：（1）蛋白质从内质网经高尔基体到细胞外的运输，称为生物合成-分泌途径(biosynthetic secretory pathway)；（2）蛋白质从内质网经高尔基体到溶酶体的运输。（三） 蛋白质的胞吞途径细胞通过胞吞作用摄取细胞外蛋白质和其他大分子，进入胞吞小泡，并进一步经内体运送到溶酶体，在那里大分子被降解，降解产物进入细胞质基质为细胞利用，这种蛋白质运输途径称胞吞途径(endocytic pathway)。二、 细胞内蛋白质的运输方式蛋白质在细胞内的运输方式是由蛋白质分子上的分选信号决定的。在门控运输时，蛋白质分子上的分选信号与位于核孔复合体部位的相应受体特异结合才能介导主动运输；在穿膜运输时，蛋白质分子上的分选信号必须被靶膜中相应的蛋白质转运子所识别，否则不能穿膜；在小泡运输中，蛋白质分子上的分选信号与运输小泡膜上特殊受体相结合，然后作定向运输，每种新形成的运输小泡只运送一种蛋白质，并与特定的靶细胞器融合。第二节 细胞内蛋白质的门控运输一、 门控运输的蛋白质分选信号及其受体蛋白质和其他大分子物质通过核孔复合体的主动运输是一个信号识别和载体介导的过程。从细胞质输入到细胞核的蛋白质以及从细胞核输出到细胞质的大分子或核糖体亚基都带有分选信号，它们被核孔部位相应的受体识别，从而使核孔通道选择性地开放，介导了主动运输过程。应用各种金颗粒的示踪实验表明，在主动运输过程中，核孔通道可以膨大到26nm。（一） 核定位信号及其受体 1、核定位信号 大分子经核孔复合体的主动运输可以用实验观察，一个典型的实验是从蛙卵细胞核中提取出一种蛋白质叫核质素(nucleoplasmin)，它能通过蛋白水解分成头部和尾部两个片断，将头部和尾部用放射性同位素标记后再分别注射到蛙卵细胞质内，通过放射自显影方法可以看到核质素的尾部很快进入细胞核而头部则留在细胞质内。用20nm胶体金颗粒与核质素尾部结合后注射到细胞质内，尽管金颗粒大于核孔通道直径，还是能随着核质素尾部进入细胞核。这一实验表明，在核质素尾部必定存在着一种信号，它能使核孔通道暂时性扩大并引导蛋白质进入细胞核。类似的实验发现，把细胞核内的蛋白质抽提出来，用微注射方法注入细胞质，即使是很大的蛋白质分子也会有效地聚集到细胞核内。这种选择性的核输入过程主要决定于细胞核蛋白质中存在着分选信号，称为核定位信号(nuclear localization signal)，又称核输入信号(nuclear import signal)。核定位信号最初是在一种SV40病毒编码的蛋白质“T抗原”中发现的，T抗原是分子量为90KDa的一种蛋白质，是病毒在细胞内复制所必需的。在正常情况下，T抗原在细胞质中合成后很快进入细胞核。但有一种只有1个氨基酸不同的突变，所产生的T抗原就不能进入细胞核而留在细胞质中，因此认为这一突变位于核定位信号序列中。后来证明，T抗原的核定位信号是一段有8个氨基酸序列的短肽，富含带阳电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，位于多肽链的内部区域。进一步研究表明，核定位信号可以是信号肽，也可以是信号斑，许多细胞核蛋白质中可存在1个或2个信号序列，可位于多肽链的任何部位，都富含带阳电荷的赖氨酸、精氨酸和脯氨酸，具体的氨基酸序列可因不同蛋白质而异。将核定位信号接在其他蛋白质上，也可引导它们进入细胞核，信号序列在蛋白质中的位置并不重要。蛋白质输入细胞核后，其信号序列并不被切除。细胞核内的蛋白质在细胞分裂时与细胞质混合，分裂完成后再次输入细胞核，由于蛋白质的核定位信号没有被切除，因此很容易再次输入细胞核。2、核输入受体 核定位信号的受体称为核输入受体(nuclear import receptor)，它是由相关的基因家族编码的一类受体蛋白，每一个家族人员编码一种核输入受体，可识别一组具有相似核定位信号的细胞核蛋白质。核输入受体是可溶性的细胞质基质蛋白，它既能与输入蛋白的核定位信号结合，又可与核孔复合体的核孔蛋白(nucleoporin)结合，从而介导了蛋白质通过核孔通道的运输。核孔复合体由50多种核孔蛋白组成，有些核孔蛋白形成触须状纤维从核孔复合体的边缘伸向细胞质，还有些核孔蛋白排列在整个核孔通道上。核孔蛋白含有大量由苯丙氨酸和甘氨酸组成的短的氨基酸重复序列(Phe-X-Phe-Gly 和Gly-Leu-Phe-Gly)，称FG重复序列，它们是核输入受体的结合位点。在细胞质基质中，核输入受体与蛋白质的核定位信号结合形成蛋白复合体，再结合到从核孔复合体伸向细胞质的核孔蛋白纤维上，这些蛋白复合体通过与FG重复序列结合、解离、再结合、再解离的方式沿着核孔通道移动，一旦进入细胞核，核输入受体与结合的蛋白质解离，蛋白质留在细胞核内，受体本身则返回到细胞质。核输入受体并不总是直接与核定位信号结合，有时在核输入受体与核定位信号之间有一个接合蛋白(adaptor)作为连接桥梁。接合蛋白在结构上与核输入受体相似，它们在进化上可能是同源的。联合使用核输入受体和接合蛋白，可使细胞能识别各种核定位信号。（二） 核输出信号及其受体 大分子从细胞核输出到细胞质，如新装配的核糖体亚基和各种RNA分子的输出，同样要依靠选择性的运输系统来通过核孔通道。这种运输系统的核心是位于输出大分子上的核输出信号(nuclear export signal)及其相应的核输出受体(nuclear export receptor)。不同大分子的核输出信号在结构上不相同，有些核输出信号的氨基酸序列中富含亮氨酸，有些则不同，目前还不清楚核输出信号是否有共同的特征。核输出受体能同时与核输出信号和核孔蛋白结合，介导大分子通过核孔通道进入细胞质。核输出受体在结构上与核输入受体相似，单从氨基酸序列看，两者很难区分，实际上两者由同样的核运输受体(nuclear transport receptor)基因家族编码。因此，核输出运输系统与核输入运输系统以同样的方式工作，仅仅是方向相反。核输入受体在细胞质与蛋白质结合，到细胞核释放它们，其本身回到细胞质重新利用；核输出受体的作用过程正相反。将小分子RNA,如tRNA,与金颗粒结合后注射到培养细胞的细胞核中，它们会很快通过核孔通道进入细胞质；如果用两种不同大小的金颗粒，一种与RNA结合后注射到细胞核，另一种与带有核定位信号的蛋白质结合后注射到细胞质，就可以看到两种大分子的双向运输。一、 蛋白质从细胞质基质到过氧化物酶体的运输蛋白质到过氧化物酶体的运输与到线粒体的运输有几个不同的地方：首先，过氧化物酶体没有自己的DNA和核糖体，因此过氧化物酶体所有的蛋白质都是由细胞核DNA编码、在细胞质基质的核糖体上合成的；其次，新合成的蛋白质往往在细胞质基质中折叠形成成熟的蛋白质构型，然后再运送到过氧化物酶体，而蛋白质到线粒体的穿膜运输是以非折叠状态进行的；另外，蛋白质从细胞质基质到过氧化物酶体的运输需要ATP水解提供能量，但不需要跨膜电化学梯度帮助。体外无细胞系统实验表明，输入到过氧化物酶体的过氧化氢酶C-末端有一个由三个氨基酸组成的信号肽，即Ser-Lys-Leu序列（简称SKL序列）。在细胞质基质中，新合成的过氧化氢酶单体与血红素结合形成过氧化氢酶四聚体蛋白后，位于其表面的SKL序列与一种可溶性受体蛋白PTSIR结合，然后PTSIR-过氧化氢酶复合体与过氧化物酶体膜上的蛋白质转运子Pex14p蛋白结合，从而介导过氧化氢酶进入过氧化物酶体（图10-13）。过氧化氢酶进入过氧化物酶体后，其SKL信号肽并不被切除。除了过氧化氢酶外，过氧化物酶体中不少蛋白质都有SKL信号肽，并以相似的方式从细胞质基质输入的。用实验方法把SKL序列接到其他细胞质蛋白质上，都可以引导它们输入到过氧化物酶体中，说明SKL序列对蛋白质输入过氧化物酶体是必需的、也是足够的。过氧化物酶体的膜蛋白也是在细胞质基质中合成的，但它们不含SKL信号肽，它们通过什么机制输入还不清楚。 还有一些过氧化物酶体的基质蛋白，如硫解酶(thiolase)等，在细胞质基质中合成后在N-末端带有一个由26个氨基酸组成的信号肽，这种信号肽在细胞质基质中也可与PTSIR受体蛋白结合，然后与过氧化物酶体膜上的Pex14p蛋白质转运子结合，介导其进入过氧化物酶体。但是这些蛋白质进入过氧化物酶体后，其N-末端信号肽被相应信号肽酶切除。二、 蛋白质从细胞质基质到内质网的运输大多数蛋白质从细胞质基质到内质网的运输是在多肽链合成过程中进行的，即共翻译转运。由于多肽链一端输入内质网时，其余部分正在合成，蛋白质不可能释放到细胞质基质，也不会折叠，因此不需要伴侣蛋白的帮助，也不需要ATP水解提供能量，可利用蛋白质合成的能量使多肽链穿膜转运。以这种方式合成和转运的蛋白质有两类：一类是跨膜蛋白，它们只部分穿膜，埋在内质网膜中；另一类是可溶性蛋白，它们则全部穿膜，进入内质网腔。所有这些蛋白质，不管以后命运如何，都以同样的分选信号和类似的机制穿入内质网膜。近年来发现，还有少数蛋白质是在细胞质基质中完全合成后再输入到内质网中，即通过翻译后转运进入内质网。（一） 可溶性蛋白质到内质网腔的运输蛋白质在合成过程中穿膜运输是在核糖体、蛋白质分选信号、信号识别颗粒及其受体、蛋白质转运子等多种结构的协同作用下完成的。内质网蛋白质的分选信号位于多肽链的N-末端，各种内质网蛋白质的信号肽可有很大的不同，但它们都有一个共同的特点，即在信号序列中间有一段5-10个疏水氨基酸序列。内质网蛋白质在核糖体上合成时，首先合成其N-末端信号肽，一旦信号肽从核糖体露出，即与信号识别颗粒（signal recognition particle简称SRP）结合，形成核糖体-信号肽-SRP复合体，并很快与位于内质网膜上的SRP受体结合，使核糖体附着到内质网膜上。SRP是由6个蛋白质亚基结合在一个小的RNA分子上组成的复合体，它有三个结合位点，即核糖体结合位点、信号肽结合位点和SRP受体结合位点。SRP的信号肽结合位点是一个衬有甲硫氨酸的疏水大口袋，由于甲硫氨酸有一个易弯曲的侧链，使口袋有足够的可塑性以适应不同形状的疏水序列。当SRP与核糖体和信号肽结合后，可引起蛋白质合成的暂停，使核糖体有足够时间在多肽链合成完成前结合到内质网膜上，以保证蛋白质不释放到细胞质基质中。SRP受体是一种位于内质网膜中的整合蛋白，蛋白质只露出到细胞质基质面，它由两个蛋白质亚基组成。SRP受体的功能是与SRP-核糖体复合体结合，并把它们引导至内质网的蛋白质转运子。一旦核糖体与蛋白质转运子结合，SRP即与SRP受体解离。SRP和SRP受体都有GTP结合位点，在GTP结合和水解过程中，可引起SRP和SRP受体发生构型变化，从而导致两者解离。内质网的蛋白质转运子是Sec61复合体，它由3-4个蛋白质复合体组成，每一个蛋白质复合体又包含3个跨膜蛋白，最后装配成炸面圈样结构，中间有一个水溶性孔道，多肽链可以通过这一孔道穿膜。由Sec61复合体组成的转运子不仅可以开放中央孔道，而且可以侧向开口。当核糖体与Sec61蛋白质转运子结合后，转运子的中央孔与核糖体大亚基的中央通道对齐，生长中的多肽链就从孔道中穿入内质网腔。核糖体与转运子结合后，核糖体的内部空间与内质网腔连续，并形成转运子中央孔的封口，不让小分子从内质网漏出。内质网蛋白质转运子的中央孔不能一直开放，否则在核糖体离开后内质网中的小分子会漏出去，一般认为核糖体离去时内质网腔面的蛋白质可作为塞子把孔塞住，也有可能是蛋白质转运子本身发生构型变化使孔关闭。不管怎样，Sec61转运子的中央孔是一个动态结构，只有在核糖体附着时才短暂开放,让多肽链穿入到内质网腔中。生长中多肽链的信号肽是转运子中央孔开放的触发因素，信号肽从SRP释放后即与蛋白质转运子的特殊部位接触，从而开启了孔道。因此，一个可溶性蛋白质的N-末端信号肽有两种功能，一个功能是在细胞质基质被SRP识别，引导蛋白质到内质网膜；另一个功能是在内质网膜上被蛋白质转运子识别，作为起始穿膜信号与蛋白质转运子结合，让多肽链的其余部分通过转运子中央孔形成一个环（图10-16）。在信号肽附近有一个酶切位点，当多肽链C-末端通过转运子中央孔时，信号肽酶可识别这一位点而把信号肽切除，使多肽链释放到内质网腔内而信号肽留在转运子上。随后蛋白质转运子侧向开放，让信号肽弥散到脂双层中，并很快被其他蛋白酶降解。从上述内质网蛋白质的合成和运输过程可见，内质网蛋白质是通过典型的共翻译转运方式进入内质网腔的，而蛋白质到其他细胞器如线粒体、过氧化物酶体的运输则是以翻译后方式进行的，这就可以解释为什么只有内质网膜上有核糖体附着，而其他细胞器没有。但是，近年来一些体外实验表明，并不是所有的内质网蛋白质都是以共翻译转运方式穿膜的，有少数蛋白质可以在细胞质基质中完全合成后再穿膜。这种翻译后转运在酵母和细菌质膜（在进化上与内质网相关）中更为普遍。与线粒体蛋白质穿膜一样，这种内质网蛋白质翻译后穿膜需要ATP水解提供能量，也需要有伴侣蛋白帮助。（二） 跨膜蛋白到内质网膜的运输 跨膜蛋白的运输过程要比可溶性蛋白质复杂，因为跨膜蛋白的多肽链一部分穿过脂双层、另一部分留在脂双层中。跨膜蛋白运输过程的前半部分，即从细胞质基质到内质网膜的运输，是与可溶性蛋白质一样的，也是由SRP、SRP受体以及内质网蛋白质转运子协同完成的；运输过程的后半部分随不同跨膜蛋白而异，与其穿膜信号的位置和数目有关。大多数跨膜蛋白有一个起始穿膜信号(start-transfer signal)和一个终止穿膜信号(stop transfer signal)，它们都是多肽链中的疏水氨基酸序列，根据穿膜信号的位置和数目，在蛋白质合成和运输过程中形成不同类型的跨膜蛋白。单次（一次）跨膜蛋白到内质网膜的运输有三种可能的方式：最简单的方式是多肽链的N-末端有一个起始穿膜信号，多肽链的内部有一个终止穿膜信号。当起始穿膜信号被信号肽酶切除并离开蛋白质转运子后，同样结合在蛋白质转运子上的终止穿膜信号通过转运子的侧向开口进入内质网膜脂双层，留在那里成为跨膜螺旋（图10-17），多肽链的N-末端位于内质网腔面，而C-末端位于细胞质基质面；在另外两种方式中，蛋白质只含有一个信号序列位于多肽链内部，具有起始穿膜信号功能。这个内部穿膜信号也被SRP识别并引导至内质网膜，启动蛋白质穿膜。这一内部穿膜信号从蛋白质转运子释放后，进入内质网膜脂双层成为跨膜螺旋。内部穿膜信号可以两种不同的取向与蛋白质转运子结合：如果内部穿膜信号靠近N-末端区带正电荷的氨基酸多，则多肽链的C-末端位于内质网腔面（图10-18A），N-末端留在细胞质基质面；如果内部穿膜信号C-末端区带正电荷氨基酸多，则多肽链的N-末端位于内质网腔面（图10-18B）。 二次跨膜蛋白中有两个内部穿膜信号，一个是起始穿膜信号，另一个是终止穿膜信号。其中起始穿膜信号启动蛋白质穿膜，先与蛋白质转运子结合，然后多肽链的其余部分继续穿膜直至终止穿膜信号与蛋白质转运子结合，两个穿膜信号都以跨膜螺旋形式留在内质网膜中，最后通过蛋白质转运子的侧向开口进入脂双层，成为二次跨膜蛋白（图10-19）。在多次跨膜蛋白质的多肽链中存在许多穿膜信号，即具有多组起始穿膜信号和终止穿膜信号。在多肽链穿膜过程中，每一组穿膜信号以二次跨膜蛋白方式形成两个跨膜疏水螺旋，结果形成多次跨膜蛋白。用重组DNA技术的实验表明，起始穿膜信号与终止穿膜信号的区别主要在于它们在穿膜过程中的相对次序。SRP对一个非折叠多肽链从N-末端到C-末端扫描，从核糖体露出来的第一个疏水氨基酸序列就是起始穿膜信号，起动穿膜过程，第二个疏水氨基酸序列则是终止穿膜信号，使位于两个信号之间的肽链穿膜。然后继续扫描和穿膜，即第三个又是起始穿膜信号、第四个是终止穿膜信号，直到多肽链中所有的疏水氨基酸序列都插入内质网膜中。由于跨膜蛋白总是从内质网的细胞质基质面插入，相同的多肽链会在内质网脂双层中有相同的取向，从而使内质网膜具有不对称性，即暴露在内质网膜胞质面和腔面的跨膜蛋白结构域是不一样的。这种不对称性在经小泡运输转至具他细胞器或细胞膜时一直保持着，因此跨膜蛋白插入内质网膜的方式决定了所有膜结构中蛋白质的取向。质网膜中的GEF结合，使Sar1释放GDP并与GTP结合，成为Sar-GTP，这一变换使Sar1蛋白发生构型变化，使原先位于蛋白质内部的一个脂肪酸尾巴暴露出来并插入内质网膜中，结合到内质网膜上的Sar1-GTP就募集COPII衣被蛋白附着到内质网膜上，启动小泡芽生，形成COPII有被小泡。其他衣被募集GTP酶也以相似的方式工作。 衣被募集GTP酶同样具有衣被去装配作用。在GAP作用下，GTP水解，使Sar1-GTP转换成Sar1-GDP，Sar1蛋白构型变化，脂肪酸尾巴从内质网膜中抽出，使衣被去装配。一般认为，在衣被装配过程中，GTP酶像计时器一样以一种慢而定时的速度工作，每隔一段时间会发生GTP水解，使衣被去装配。因此，只有芽生速度快于定时的去装配过程时才能形成有被小泡。（一） 运输小泡的靶向运输运输小泡在细胞内的运输是高度有序的，每一种运输小泡对其靶膜有高度选择性和专一性。在运输小泡表面按其来源和运送货物的类型有着不同的标志，而在靶膜上有相应的受体可识别小泡表面的标志。这种特异的识别过程主要由两类蛋白质来执行的，它们是SNARE蛋白和Rab蛋白。SNARE蛋白的作用是提供运输小泡与靶膜的专一性识别，并和Rab蛋白一起进一步保证运输小泡在靶膜上停靠和融合的专一性。1、SNARE与小泡运输的专一性识别 SNARE是一类跨膜蛋白，它们是SNAP(soluble NSF-attachment protein)的受体。NSF(N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein)是一种ATP酶，SNAP与NSF结合可增加NSF的ATP酶活性。动物细胞中有20多种不同的SNARE蛋白，每一种SNARE与一种细胞器或细胞区室相联系。每一种SNARE都以一对互补的形式存在，其中一个存在于运输小泡膜上，称v-SNARE；另一个存在于靶膜上，称t-SNARE。v-SNARE和t-SNARE有特征性的螺旋形结构域，两者相互作用时一个SNARE的螺旋形结构域环绕另一个SNARE的螺旋形结构域形成一个稳定的反式复合体，把两层膜锁在一起。SNARE相互作用的专一性决定了小泡运输的专一性，并以这种方式保证了小泡运输的有序进行。在小泡芽生过程中，v-SNARE与衣被蛋白一起装配在运输小泡膜中，当运输小泡到达靶膜时即与其中的t-SNARE互相结合形成反式复合体，使小泡膜与靶膜融合（图10-24）。结合在一起的v-SNARE和t-SNARE必须分开后再循环使用，NSF在反式SNARE复合体解离过程中起主要作用。NSF在结构上与伴侣蛋白相似，它利用ATP水解释放的能量，在一些接合蛋白(adaptor protein)的参与下，使缠绕在一起的SNARE螺旋状结构域解离（图10-25）。 2、Rab蛋白进一步保证小泡停靠的专一性 Rab蛋白是一类单体GTP酶，它们是GTP酶最大的亚家族，有30多个成员。Rab蛋白的C-末端氨基酸序列有很大差异，它决定了每一种Rab蛋白在细胞内的特征性分布，每一种细胞器的细胞质基质面至少有一种Rab蛋白（表10-1）。Rab蛋白的功能是在小泡运输过程中帮助和调节小泡停靠的速率以及使v-SNARE和t-SNARE相配。 像衣被募集GTP酶一样，Rab蛋白也在膜与细胞质基质之间循环。在细胞质基质中Rab与GDP结合呈非活性状态，在GEF作用下使Rab与GTP结合，Rab蛋白发生构型变化，暴露与其结合的脂肪酸尾巴插入膜中，并以Rab-GTP形式进入运输小泡的膜中。当运输小泡靠近靶膜时，呈活性状态的Rab-GTP就可与靶膜上相应的Rab效应子(Rab effector)结合，介导小泡仃靠过程,在停靠过程中同时帮助v-SNARE与t-SNARE配对（图10-26）。当小泡与靶膜融合后，Rab蛋白水解与其结合的GTP，将Rab-GDP释放到细胞质基质中循环使用。在细胞质基质中，Rab-GDP与GDP解离抑制物(GDI)结合，防止Rab与GDP解离。不同靶膜上的Rab效应子结构不一样，细胞膜上的Rab效应子是一种大的蛋白复合体，当分泌小泡上的Rab蛋白与其结合时，在小泡融合局部进行胞吐作用；高尔基体膜上的Rab效应子是一种丝状蛋白，它与运输小泡上的Rab蛋白结合后可限制小泡在高尔基体膜囊间的运动；还有一些Rab效应子是马达蛋白，可驱动运输小泡沿着微丝或微管移动以到达靶膜的合适部位。尽管Rab蛋白与它们的效应子采用不同的方式来影响小泡运输，但它们的共同点都是把小泡栓住在靶点附近，帮助两膜中v-SNARE与t-SNARE配对，并进一步把小泡锁在靶膜上，为两膜融合作准备。1、 SNARE还可能介导膜的融合 运输小泡停靠到靶膜后，即可通过膜融合把小泡的膜蛋白输入到靶膜中，把小泡内容物释放到靶细胞器内或细胞外。膜融合可在小泡停靠后立即发生，也可以停留一段时间再发生，例如在受调分泌过程中，要等到胞外信号作用时才触发膜融合。因此，停靠和融合是两个分开的过程，停靠只需要小泡膜与靶膜足够靠近，使突出于脂双层的膜蛋白能相互作用；而融合需要两膜更加靠近，当两个脂双层靠近到1.5nm以内时，脂分子可从一个脂双层流到另一个脂双层，水分则从两膜的亲水表面离开。这一过程需要特殊的融合蛋白参与，以提供一种方式来克服能量障碍。SNARE可能起着这种关键作用，v-SNARE与t-SNARE的螺旋状结构域相互缠绕形成复合体的过程起着绞车的作用，释放出的能量使两膜的脂双层靠近，并把水分子挤出界面（图10-27）。当两膜非常靠近时，脂分子可在两个脂双层的内侧单层间流动，彼此融合形成两个柄，而两个外侧单层相互靠近形成新的脂双层，最后新的脂双层断裂，完成融合过程。 除了SNARE外，还可能有一些其它蛋白与SNARE合作，一起启动膜的融合过程。 二、胞吞途径 从细胞表面到细胞内的蛋白质分选和运输 细胞外的蛋白质等大分子物质不能直接透过细胞膜进入细胞内，细胞摄入细胞外大分子是通过胞吞作用(endocytosis)来完成的。胞吞时细胞膜下陷形成胞吞小凹，小凹颈部细胞膜融合，把细胞外大分子装入胞吞小泡，胞吞小泡进一步在细胞内定向运输，使胞吞物质经由内体(endosome)到达溶酶体，在那里被消化降解，降解产物进入细胞质基质为细胞利用。细胞外蛋白质等大分子物质从细胞表面到溶酶体的分选和运输途径称为胞吞途径，这一途径中的物质运输是通过小泡运输来完成的。（一） 吞噬作用和吞饮作用2、早期内体的分选功能 胞吞小泡形成后会很快脱去衣被，并与早期内体融合，把胞吞物质连同受体一起送入早期内体。早期内体的膜中存在质子泵，使其内环境维持在pH 6 左右。在早期内体的酸性环境下，许多胞吞进来的受体蛋白发生构型变化、释放与其结合的配体。配体与受体解离后，一般都会送到溶酶体被降解；但还有一些配体不与其受体解离，结果共享受体的命运。在早期内体中，受体和配体的命运随受体类型而异，一般有四种不同的分选途径：（1）受体与配体解离，受体被回收至细胞膜，而配体被送到溶酶体降解。这是大多数受体-配体复合物的命运，如LDL受体在早期内体中与LDL颗粒解离，受体回到细胞膜再循环，LDL送到溶酶体被降解、释放游离胆固醇供细胞利用。早期内体表面可伸出管状结构，并从管状结构末端芽生出运输小泡